寒区水利工程用透水混凝土配合比优化试验研究

史衍慧

(博乐市农村饮水安全供水总站，新疆 博乐 833400)

1 概 述

在传统河道整治工程中，河道护坡的治理方式往往比较单一，并给河道周围的自然景观以及河流本身的生态系统稳定性造成不同程度的影响[1]。面对人类社会发展对生态环境提出的更高要求，生态透水混凝土在河道整治工程中日渐得到广泛应用[2]。透水混凝土又被称为无沙混凝土、多孔混凝土或大孔混凝土，是由粗骨料和胶凝材料以及大量没有被填充的孔隙构成，具有一定的强度和良好的透水性[3]。透水混凝土的使用最早可以追溯至1852年的英国，上世纪60代开始美国、日本等西方发达国家对其进行了深入研究。我国对透水混凝土的研究起步较晚，直到上世纪90年代才全面展开[4]。由于透水混凝土的理论和制备工艺方面缺乏深入研究，特别是强度和透水性方面的矛盾至今未能得到彻底解决，因此限制了其应用和推广[5]。对我国北方寒区而言，气候因素对透水混凝土的影响不容忽视。显然，河道护坡透水混凝土中水分含量往往较高，而透水混凝土相对于普通混凝土具有更大的孔隙率，且孔隙多为大于200 nm的多害孔。因此，冻融破坏就成为河道整治工程中透水混凝土的主要破坏形式[6]。基于此，本次研究采用正交试验的方法，分析河道整治工程透水混凝土的冻融破坏机理和规律，以寻求最优配合比方案，为透水混凝土在寒区河道整治工程中的应用和推广提供必要的理论和技术支撑。

2 试验设计

2.1 试验材料

试验用水泥为铁岭市铁新水泥有限公司生产的铁新牌P·O42.5型普通硅酸盐水泥； 试验研究使用的粗骨料是石灰岩岩质人工碎石。根据试验要求，粗骨料的级配为3个单一级配，分别为4.50～8.50 mm，8.50～12.50 mm，12.50～19.00 mm。在透水混凝土制备过程中，在水泥浆中掺入一定比例的硅粉，有助于提高混凝土的强度，降低成本[7]。研究中选用的是挪威艾肯公司出品的920 U的半加密硅粉。试验用减水剂为江苏博特有限公司生产的PCA®(I)聚羧酸高效减水剂。

2.2 试验方案

梳理透水混凝土强度和冻融研究方面的文献资料认为，影响透水混凝土冻融破坏的因素较多，其中最为显著的是水胶比、浆集比一级骨料级配[8-9]。因此，本文研究中将上述3个影响因素作为调控因素，并设计出相应的因素水平进行正交试验设计。其中，水胶比设计0.26，0.29和0.32三个水平，浆集比为0.40，0.45和0.50三个水平，骨料级配则设置4.50～8.50 mm，8.50～12.50 mm，12.50～19.00 mm三个因素水平。混凝土中的减水剂的掺量暂定为0.3%，试验中根据实际拌和状态进行微调。正交试验方案具体设计见表1。

表1 正交试验设计表

2.3 试验过程

试件的制作以上节设定的9组正交试验方案进行，每组试验制作6个试件，共54个试件。试件制作的模具为内径100 mm×100 mm×400 mm的长方体钢模。目前，在混凝土试件制作方面的成型方法主要有插捣、振动、压力和振压等4种常用的成型方法。通过对上述4种方法的特征对比，结合本次试验的目的和要求，确定采用振动台振动成型法进行试件制作，捣振时间控制在15 s以内。脱模后的试件在标准养护条件下养护至相应的龄期，然后进行后续实验。

2.4 试验方法

由于水利工程对混凝土抗冻性要求高，其冻融循环次数高达200～300次，且经常处于水环境中，如果以慢冻法检验所耗费的时间及劳动量较大，因此研究中试件的冻融试验采用快冻法。将养护完成后的试件放入水中浸泡2 d后在空气中静置24 h，然后测量其原始数据并记录。将试件放入冻融机进行冻融试验，每次试验进行10个冻融循环，达到试验次数或试件破坏时停止试验。在每进行完10次冻融试验后，停止冻融取出试件，对试件的质量、横向基频、弹性模量进行测量和记录。试验中，将每组所有6个试件的试验结果均值作为本组试验的最终结果。

3 试验结果与分析

3.1 质量损失结果与分析

根据试验结果，统计出各组试件在反复冻融循环条件下的质量损失以及质量损失率。其中，试件的质量损失结果见表2，质量损失率结果见图1，不同因素对质量损失率的影响见图2。

表2 冻融试验质量损失 /g

图1 透水混凝土质量损失率

图2 因素水平对质量损失率的影响

由表2和图1可知，试件质量损失最小的是T1和T8，质量损失量均在0.1 kg以下；T9组试件的质量损失量最大，其余6组的质量损失量相差不大。由图1可知，各组试件的质量损失率均随着冻融次数的增加而增加，且T9组试件的质量损失率增加最快。结合表1中的因素水平设计可知，粗骨料的级配对试件质量损失率的影响最大。由图2可知，透水混凝土试件的质量损失率随着水胶比的增大而增大，并且增加速率越来越大。浆集比的变化也呈现出类似的规律，试件的质量损失率随着浆集比的增大先缓慢增大，后急剧增加。究其原因，主要是水胶比和浆集比过大，混凝土容易产生硬化裂隙，进而降低混凝土的强度，增加与外界的接触面积，因此质量损失率偏大。透水混凝土试件的质量损失随着粗骨料级配的增大而急剧增大，然后增速趋缓。究其原因，主要是骨料粒径越大，骨料间的咬合点越少，由此产生较大的孔隙，增加了与外界环境的接触面积，因此导致较大的质量损失。当骨料粒径增大到一定程度后，上述影响作用有所减弱，因此质量损失增长幅度变小。根据上述变化规律，从试件的质量损失比角度来看，正交试验方案的T1组为最优组合，也就是水胶比为0.26、浆集比为0.40，骨料级配为4.50～8.50 mm。

3.2 动弹模量损失结果与分析

根据试验结果，统计出各组试件在反复冻融循环条件下的动弹模量以及动弹模量的衰减率。其中，试件的动弹模量试验结果见表3，动弹模量衰减率结果见图3，不同因素对动弹模量衰减率的影响见图4。

表3 试件的动弹模量试验结果 /GPa

图3 动弹模量衰减率变化曲线

图4 不同因素水平对动弹量衰减率的影响

由表3可知，各组试件的动弹模量均会随着冻融循环次数的增加而减小，说明冻融循环会对透水混凝土的动弹模量造成十分显著的影响，且影响的作用效果存在明显的相似性。由图3可知，随着冻融循环次数的增加，各组试件的动弹模量衰减率呈现出稳步增加的态势，其中衰减率最大的为T7，达到77.51%，其次是T1，为74.63%，衰减率最小的为T6，为40.99%，其余各组均在48%～70%之间。由此可见，冻融循环70次之后，试件的相对动弹模量均下降至60%以下，下降幅度较大的已经下降至30%以下，而由上节的计算结果可知，在试件进行70次冻融循环之后，质量损失率都相对较小，远没有达到5%。因此，透水混凝土的冻融破坏主要表现为动弹模量的极限破坏，用动弹模量表征透水混凝土的抗冻性，并以此为主要依据进行配合比的优化是科学的、合适的。由图4可知，试件的动弹模量衰减率随着水胶比和浆集比的增大呈现出先减小后增大的变化特征，均为水平2时最低。究其原因，主要是水胶比和浆集比的增大会导致骨料之间黏结力的增大，动弹模量的衰减率也就随之减小，但是水胶比和浆集比过大，会导致混凝土硬化产生较多的微裂缝，进而影响混凝土的强度，因此动弹模量衰减率会随之增大。试件的动弹模量衰减率随着骨料级配的增大而增大，但是变化速率逐步减小。究其原因，主要是骨料级配越大，骨料之间的黏结效果越差，从而造成混凝土强度的降低，因此动弹模量衰减率也会随之增大。因此，最优配合为水胶比0.29、浆集比0.45、骨料级配4.50～8.50 mm。

4 结 论

针对北方寒区河道护坡透水混凝土易遭受冻融破坏的问题，采用多因素正交试验的方法，对基于冻融破坏的河道整治工程透水混凝土配合比展开优化试验研究，并获得如下主要结论：

1) 冻融循环70次之后，试件的相对动弹模量均下降至60%以下，而质量损失率远没有达到5%。因此，透水混凝土的冻融破坏主要表现为动弹模量的极限破坏，可以用动弹模量作为主要依据进行配合比的优化。

2) 根据试件的动弹模量衰减率随着水胶比、浆集比和骨料级配的变化规律分析，基于抗冻性的透水混凝土最优配合为水胶比0.29、浆集比0.45、骨料级配4.50～8.50 mm。